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Mar 28, 2023

I fisici hanno sviluppato un nuovo sistema fotonico con caratteristiche topologiche sintonizzate elettricamente

October 14, 2022 by

14 ottobre 2022

dall'Università di Varsavia, Facoltà di Fisica

Scienziati della Facoltà di Fisica dell'Università di Varsavia in collaborazione con l'Università Militare di Tecnologia, l'italiano CNR Nanotec, l'Università britannica di Southampton e l'Università dell'Islanda hanno ottenuto un nuovo sistema fotonico con caratteristiche topologiche sintonizzate elettricamente, costruito con perovskiti e cristalli liquidi. La loro ricerca è pubblicata nell'ultimo Science Advances.

Le perovskiti sono materiali che hanno la possibilità di rivoluzionare l’energia. Si tratta di materiali durevoli e facili da produrre, la cui particolarità è un elevato coefficiente di assorbimento della luce solare e quindi utilizzati per costruire nuove celle fotovoltaiche più efficienti. Negli ultimi anni sono state sfruttate le proprietà di emissione di questi materiali, finora sottovalutate.

"Abbiamo notato che le perovskiti bidimensionali sono molto stabili a temperatura ambiente, hanno un'elevata energia di legame degli eccitoni e un'elevata efficienza quantica", afferma il Ph.D. la studentessa Karolina Lempicka-Mirek della Facoltà di Fisica dell'Università di Varsavia, prima autrice della pubblicazione. "Queste proprietà speciali possono essere utilizzate nella costruzione di sorgenti luminose efficienti e non convenzionali. Ciò è importante per le applicazioni nei nuovi sistemi fotonici."

"In particolare, si prevede di utilizzare le perovskiti per l'elaborazione delle informazioni con un'elevata efficienza energetica", aggiunge Barbara Pietka, ricercatrice dell'Università di Varsavia.

Gli scienziati sono riusciti a creare un sistema in cui gli eccitoni in una perovskite bidimensionale erano fortemente accoppiati con i fotoni intrappolati in una struttura fotonica birifrangente: una cavità ottica bidimensionale riempita con un cristallo liquido.

"In un tale regime vengono create nuove quasiparticelle: polaritoni eccitonici, noti principalmente per la possibilità di transizione di fase verso un condensato di Bose-Einstein non in equilibrio, per la formazione di stati superfluidi a temperatura ambiente e per una forte emissione di luce simile alla luce laser, " spiega Barbara Pietka.

"Il nostro sistema si è rivelato una piattaforma ideale per creare bande di energia fotonica con curvatura Berry diversa da zero e studiare effetti ottici di spin-orbita che imitano quelli precedentemente osservati nella fisica dei semiconduttori a temperature criogeniche", spiega Mateusz Krol, Ph.D. studente della Facoltà di Fisica dell'Università di Varsavia. "In questo caso, abbiamo ricreato l'accoppiamento spin-orbita di Rashba-Dresselhaus nel regime di accoppiamento forte luce-materia a temperatura ambiente."

"La generazione di una banda polaritone con una curvatura Berry diversa da zero è stata possibile grazie alla progettazione di una speciale torsione delle molecole di cristalli liquidi sulla superficie degli specchi", spiega il coautore dello studio, Wiktor Piecek dell'Università Militare of Technology, dove sono state fabbricate le cavità ottiche testate.

"La curvatura delle bacche descrive quantitativamente le proprietà topologiche delle bande energetiche in materiali come isolanti topologici 3D, semimetalli Weil e materiali Dirac", spiega Helgi Sigurdsson dell'Università dell'Islanda. "Gioca principalmente un ruolo chiave nel trasporto anomalo e nell'effetto Hall quantistico. Negli ultimi anni sono stati condotti molti esperimenti innovativi nella progettazione e nello studio delle bande energetiche geometriche e topologiche nei gas atomici ultrafreddi e nella fotonica."

"La struttura fotonica sviluppata in questo lavoro, utilizzando l'accoppiamento spin-orbita e le proprietà dei polaritoni, apre la strada allo studio degli stati topologici dei fluidi leggeri a temperatura ambiente", spiega Jacek Szczytko della Facoltà di Fisica dell'Università di Varsavia .

"Inoltre, può essere utilizzato nelle reti neuromorfiche ottiche, dove è necessario un controllo preciso sulle proprietà non lineari dei fotoni", aggiunge Barbara Pietka.

Maggiori informazioni: Karolina Łempicka-Mirek et al, Curvatura della bacca sintonizzabile elettricamente e forte accoppiamento luce-materia in microcavità di cristalli liquidi con perovskite 2D, Science Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq7533